Distributed planning and control of multi-robot systems under human presence

QC 20250214

Abstract

Den ökande integrationen av robotteknik i dynamiska, säkerhetskritiska miljöer har krävt utveckling av ramverk som möjliggör sömlöst samarbete mellan människor och multirobotsystem. Denna avhandling undersöker distribuerad planering och styrning av multirobotsystem vid mänsklig närvaro, med fokus på explicit och implicit Human-(multi)Robot Interaction (HRI) vid både lågnivåkontroll och även högnivåplaneringsuppgifter. I det här sammanhanget defineras explicit interaktion som interaktioner genom direkta kommandon och implicit interaktion som interaktioner genom indirekta effekter på grund av delade utrymmen. Målet med detta arbete är att integrera mänsklig intuitionen och robotprecision samt säkerställa säkerhet och effektivitet av arbetet, med fokus på verkliga utmaningar inom områden som precisionsjordbruk och smart konstruktion.

Den första delen av avhandlingen behandlar explicit HIL-kontroll (human-in-the-loop) på låg nivå genom att utveckla distribuerade barriärfunktionsbaserade metoder som inför flera säkerhetsbegränsningar i multirobotsystem. Detta ramverk tillåter mänsklig input eller överskridningar samtidigt som det säkerställer kollisionsundvikande mellan agenter, upprätthållande av konnektivitet och efterlevnad av spatiala gränser. En ny metod omvandlar flera säkerhetsbegränsningar till en kollektiv begränsning med hjälp av en smidigt approximerad minimifunktion, vilket möjliggör effektiv optimering. Experiment demonstrerar integrationen av HIL-scenarier i kollaborativa multirobotuppgifter, vilket belyser robustheten i att upprätthålla systemsäkerhet trots mänskliga ingripanden. Dessutom introduceras ett robust CBF-baserat (Control Barrier Function) ramverk för visuell servoing för mobila manipulatorer, som kombinerar ögon-i-hand och öga-till-hand-uppsättningar. Detta tillvägagångssätt säkerställer exakt objektspårning och placering vid mänsklig övervakning, vilket är avgörande för applikationer i säkerhetskritiska miljöer som robotmontering och konstruktion.

Den andra delen av avhandlingen fokuserar på explicit HIL-planering på hög nivå, där Signal Temporal Logic (STL) och Linear Temporal Logic (LTL) används för att definiera spatiotemporala uppgifter för multirobotsystem. Dessa uppgifter utförs med hjälp av MPC (Model Predictive Control), vilket möjliggör kollisionsfri banplanering i realtid samtidigt som mänskliga kommandon införs dynamiskt. Ett protokoll för uppgiftstilldelning säkerställer anpassningsförmåga och säker integrering av mänskliga direktiv i scenarier som involverar komplexa uppgifter, såsom skörd och beskärning i precisionsjordbruk. Laboratorie- och fältexperiment som utförts i vingårdar validerar den praktiska tillämpbarheten av detta ramverk i dynamiska miljöer. Ytterligare bidrag inkluderar utvecklingen av metoder för återkommande uppgiftskoordinering och synkronisering i storskaliga multirobotteam. Dessa metoder utnyttjar upprepande LTL-formuleringar för att hantera beräkningsutmaningar i samband med skalning, vilket möjliggör robust synkronisering och anpassningsförmåga i verkliga miljöer med upp till nittio robotar.

Den sista delen av avhandlingen utforskar implicit HIL på låg nivå genom att fokusera på förutsägbarhet av mänsklig rörelse för att möjliggöra säkra och intuitiva interaktioner mellan människor och robotar. Ett Koopman-baserat IOC-ramverk (Inverse Optimal Control) introduceras för att uppskatta okänd dynamik och kostnader för förutsägbarhet av mänskliga rörelser. Genom att omformulera människorelaterad dynamik som bilinjära system ger denna metod ett robust och hanterbart alternativ till traditionella olinjära IOC-metoder. Detta ramverk valideras genom teoretisk analys, simuleringsstudier och experiment, och visar att ramverket är effektivt för att förbättra navigering och uppgiftsutförande vid mänsklig närvaro i multirobotsystem.

Den övergripande visionen för denna avhandling är att utveckla skalbara och människocentrerade ramverk som gör det möjligt för robotar att anpassa sig till mänskliga ingångar dynamiskt samtidigt som säkerhet och operativ effektivitet säkerställs. Genom att behandla både explicit och implicit HRI med lågnivåkontroll och högnivåplanering, lägger detta arbete grunden för en sömlös integration av multirobotsystem i dynamiska, verkliga miljöer, vilket främjar den senaste tekniken inom samarbete mellan människa och robot.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-360010